单细胞微生物技术介绍

微生物单细胞基因组测序是指以单个微生物细胞为研究对象，通过单细胞分离、微量基因组DNA扩增、高通量测序与拼接组装，获得单个微生物完整或部分基因组序列的技术，核心解决了传统技术无法纯培养微生物基因组解析、菌株水平异质性识别的难题。该技术无需微生物体外纯培养，可直接从复杂菌群中捕获单个细胞并解析其遗传信息，是挖掘未培养微生物资源、解析菌群遗传多样性的核心手段。根据单细胞分离方式、基因组扩增原理及技术通量差异，主流微生物单细胞基因组测序技术可分为基于显微操控的低通量单细胞测序技术、基于流式分选的中通量单细胞测序技术和基于微流控的高通量单细胞测序技术三类，各类技术的技术体系与核心优势差异显著。微流控技术的革新推动微生物单细胞基因组测序进入高通量时代，核心代表技术为Microbe-seq等高通量单细胞基因组平台。

Microbe-seq 是一种具有菌株分辨率的高通量单细胞微生物基因组测序技术，由哈佛大学和麻省理工学院的研究团队于 2022年6月在Science上发表《High-throughput, single-microbe genomics with strain resolution, applied to a human gut microbiome》。该技术集成了液滴微流控操作与定制化的生物信息学分析流程，无需培养即可从复杂微生物群落中获取成千上万个单细胞微生物的基因组信息，并组装出高质量的菌株水平基因组。

Microbe-seq的工作原理：该技术核心在于利用微流控液滴技术实现"单细胞封装—裂解—扩增—标记"的全流程自动化。

微生物单细胞转录组测序（scRNA-seq）聚焦单个微生物细胞的RNA表达信息，可精准捕捉单细胞水平的基因表达模式，反映微生物在特定环境、胁迫条件下的实时功能状态，揭示菌群细胞异质性、胁迫响应机制、亚群功能分化等动态生物学过程。与单细胞基因组测序的静态遗传解析不同，单细胞转录组测序聚焦动态基因表达调控，是解析微生物功能异质性、菌群互作机制的核心技术。由于原核微生物mRNA无polyA尾巴、rRNA占比极高、RNA易降解，真核单细胞转录组技术无法直接应用，由此衍生出多种适配原核微生物的专属单细胞转录组测序技术。

单细胞技术领域全球著名科学家Itai Yanai教授及其合作者Andrew W. Pountain教授，于2025年9月，在著名学术期刊Science上发表综述《Dissecting Microbial Communities with Single- Cell Transcriptome Analysis》，详细总结和评论了近年来的微生物单细胞转录组技术，并探讨了这些技术的应用前景及其挑战。这些方法主要可分为两大类：基于单细胞转录组测序（scRNA-seq）的方法和基于荧光原位杂交（FISH）的显微镜方法。基于scRNA-seq的方法主要包括三种不同的单细胞分离及标记策略：组合索引（combinational indexing）策略、液滴标记（dorplet-based indexing）策略和混合策略（组合索引+液滴标记）。早期也有基于流式细胞术的方法。和scRNA-seq相比，基于FISH的显微镜方法（图2E）可用于单个固定细胞，以及生物膜或宿主组织，主要优势在于能够在获取基因表达信息的同时提供空间信息。不过，这类技术通常对设备要求较高，并需要设计物种特异性探针，因此对微生物组等多物种群落的应用可能存在挑战。

图：微生物单细胞转录组技术原理